应用于CPRI基带数据的Mu-law压缩方法研究

应用于CPRI基带数据的Mu-law压缩方法研究

现代无线基础设施系统使用运行CPRI（普通公共射频接口）协议的光纤传输频率、相位、复合数据和控制信息。人们对无线数据的需求一直在呈指数式增加。运营商和设备供应商都在努力设法减小在基带单元和无线单元之间运行多根高数据速率光纤所需的资本投资和运维成本。

引言

CPRI定义了各种拓扑，包括点到点，点到多点，链和环。CPRI可以传输同步、控制和管理（C&M）和基带IQ数据。

图1：无线设备控制器到无线设备的接口。

背景

CPRI是由行业内具有紧密合作关系的一些OEM厂商定义的。CPRI最早是针对3GPP UTRA（UMTS）开发的，但随后经扩展覆盖了WiMAX、3GPP E-UTRA（LTE）和3GPP GSM。随着无线标准的演进，IQ数据的带宽需求有了极大地提高。

表1：不断增长的带宽需求。

图2：随时间推移不断上升的CPRI速率。

本文介绍了一种压缩IQ数据的方法，它能减少传输的数据量，同时在保真度方面的损失相对较小。

Mu-law压缩

Mu-law压缩是一种在规定数字范围内重新分布数值的方法，当随后的量化执行完成后，它能保证信号保真方面的损失最小。重新分布是用一个对数函数从零扩展数字完成的。扩展率通过选择常数Mu_compand_val进行控制。

Mu-law压缩常用于音频压缩方案中，是ITU-T建议G.711和G.191的推荐方法。在这些音频压缩方案中，规定了Mu_compand_val=255的上限值。它通过直接比特移位实现2n指数和分段线性近似，其中移位的数量取决于指数值（见表2）。图3显示了段数与8位输出之间的关系。

表2：ITU-T建议G.711。

图3：分段线性近似Mu_compand_val=255。

除了Mu-law外，ITU-T还推荐了一种非常类似的称为A-law的方案。A-law映射到稍有不同的段，小数字时会产生稍有不同的结果。

3GPP测试和要求

蜂窝无线系统中的信号保真度是由3GPP定义的。测试规范TS 36.104用误差矢量幅度（EVM）定义了信号保真度。EVM是指从理想星座点到被测点的矢量大小。对于64QAM信号来说，64QAM 的E-UTRA要求是

Mu-law/A-law 测试

将各种不同的Mu_compand_val数值用于压缩和解压缩。图10显示了Mu_compand_val与EVM的关系图，其中蓝线是A-law ，红线是Mu-law。高的Mu值映射到数量以相同指数呈指数式增加的样值，对64QAM数据来说将产生很差的结果。在Mu_compand_val=255点，EVM最差，只执行一次简单的量化。与ITU建议相比，这里明显需要低得多的指数/扩展率。

图10：不同Mu_compand_val时的误差矢量幅度（%）。

图11：Mu_compand_val=8 （a）压缩后的IQ星座 （b）建模后的误差矢量幅度。

用Mu_compand_val=8建模Mu-law压缩如图11所示。Mu-law函数可以通过扩展数据填充更多的IQ可用数字范围。从16位到8位的Mu-law压缩可以产生0.55%的误差矢量幅度。

3GPP测量

一旦实现完成，就可以使用3GPP测试模型和工业标准测量设备进行实际的3GPP测量。图12显示了E-UTRA解调波形。在这个特定结果中，使用实际硬件并将Mu_compand_val设为8可以测到0.791%的平均误差矢量幅度。

图12：3GPP的误差矢量幅度测量。

IQ映射器自动生成工具

图13：用于具有16位IQ数据的3个AxC的IQ映射器域。

图14：用于具有8位IQ数据的3个AxC的IQ映射器域。

本文小结

使用分段近似方法实现从16位到8位的Mu-law压缩只有0.79%的低保真损失。相比3GPP规定的8%，这种损失造成的性能劣化是相当小的。延时和实现面积也可忽略不计。

CPRI压缩和IQ映射器工具都已经被集成进Altera最新的CPRI IP内核v6.0中。